问题

前面教程中定义的点光源从一个点发出四面八方的光。你想定义一个聚光灯,它与点光源很很像,但光线只照亮一个圆锥区域,如图6-10。

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图6-10 定义一个聚光灯的变量

解决方案

在pixel shader中,判断当前像素是否在光照圆锥中,这可以通过将光线方向和圆锥方向进行点乘做到。

工作原理

开始的代码与前面的教程中的是一样的。因为聚光灯比点光源需要设置的东西更多,你需要将下列XNA-to-HLSL变量添加到. fx文件中:

float xLightStrength; 
float3 xConeDirection; 
float xConeAngle; 
float xConeDecay; 

第一个变量让你可以增加/减少光照强度。这个变量对其他类型的光也是很有用的,当场景中有多个光源时它也是必须的(见教程6-10)。然后定义光锥的中心线方向、光锥宽度。最后定义光照的衰减。

除此之外,你还要扩展pixel shader。基本上与逐像素点光源中(见教程6-7)做的一样,只是多了一个检查像素是否在光锥中的步骤:

SLPixelToFrame SLPixelShader(SLVertexToPixel PSIn) : COLOR0 
{
    SLPixelToFrame Output = (SLPixelToFrame)0; 
    
    float4 baseColor = float4(0,0,1,1); 
    float3 normal = normalize(PSIn.Normal); 
    float3 lightDirection = normalize(PSIn.LightDirection); 
    float coneDot = dot(lightDirection, normalize(xConeDirection)); 
    
    float shading = 0; 
    if (coneDot > xConeAngle) 
    {
        float coneAttenuation = pow(coneDot, xConeDecay); 
        shading = dot(normal, -lightDirection); 
        shading *= xLightStrength; 
        shading *= coneAttenuation; 
    }
    Output.Color = baseColor*(shading+xAmbient); 
    
    return Output; 
}

归一化法线和光线方向之后,你需要检测当前像素是否在光锥之内。这可以检测两个方向间的夹角做到:

  • 当前像素到光源的方向
  • 光锥的中心线的方向

第一个方向就是lightDirection,第二个方向由xConeDirection变量定义。只有这两个方向的夹角小于某个临界值,像素才会被照亮。

检测的一个快速方法是计算这两个方向的点乘。结果接近于1表示两者的夹角很小,结果越小表示夹角越大。

要判断角度是否太大,你要检测点乘结果是否小于某个临界值,这个临界值存储在ConeAngle变量中。如果像素在光锥中,就计算光照因子。要在接近光锥边缘的地方减弱光照,你要计算变量coneDot的xConeDecay次幂。结果是,对那些远离光锥中心线方向的像素来说,当coneDot变量小于等于1时,幂的结果会变得更小(见图6-11的右图)。

光锥之外的像素光照值为0,光线对这些像素没有影响。

代码

完整的pixel shader代码前面已经有了。

在XNA代码的Draw方法中,开启effect,设置参数并绘制场景:

effect.CurrentTechnique = effect.Techniques["SpotLight"]; 
effect.Parameters["xWorld"].SetValue(Matrix.Identity); 
effect.Parameters["xView"].SetValue(fpsCam.ViewMatrix); 
effect.Parameters["xProjection"].SetValue(fpsCam.ProjectionMatrix); 
effect.Parameters["xAmbient"].SetValue(0.2f); 
effect.Parameters["xLightPosition"].SetValue(new Vector3(5.0f, 2.0f, -15.0f+variation)); 
effect.Parameters["xConeDirection"].SetValue(new Vector3(0,-1,0)); 
effect.Parameters["xConeAngle"].SetValue(0.5f); 
effect.Parameters["xConeDecay"].SetValue(2.0f); 
effect.Parameters["xLightStrength"].SetValue(0.7f); 

effect.Begin(); 
foreach (EffectPass pass in effect.CurrentTechnique.Passes) 
{
    pass.Begin(); 
    device.VertexDeclaration = myVertexDeclaration; 
    device.DrawUserPrimitives<VertexPositionNormalTexture>(PrimitiveType.TriangleStrip,vertices, 0, 6); 
    pass.End(); 
}
effect.End(); 

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